CN1148135A - 用低温液体作为发动机工作物质的方法及内循环装置 - Google Patents

Abstract

一种用低温液体作为发动机工作物质的方法及内循环装置，是利用处在液态氧沸点以下的低温液体在常温下会立即气化，其体积突然膨胀，进而产生爆炸性冲击效应的特性，来产生动力，从而推动活塞或叶轮作功，其内循环装置是通过把作功后排出的气体分成两个部分，其中的一部分气体是通过一系列降温措施而重新回到液体状态，而另一部分气体则是通过二次换热来恢复到常温气体状态，从而实现作功物质的内循环。

Description

用低温液体作为发动机工作物质的方法及内循环装置

本发明属于发动机装置，涉及液态氧沸点以下的低温技术。

申请日前检索了F01、F03、F04等文献资料，并重点检索了F01K25/06的专利文献。上述文献公开了一些用其他燃料作为发动机工作物质的技术，但尚未查到用低温液体作为发动机工作物质的方法及内循环装置的对比文件。迄今为止，车、船、飞机所使用的发动机大部分都是以汽油、柴油和煤油为主要工作物质的燃油型发动机，但是由于汽油、柴油和煤油都是从不可再生的石油中提炼出来的，并且这石油资源也即将枯竭，大约只够再使用五十年左右的时间，因此，当今的科学家都在努力寻找能够替代石油的产品，以使人类能渡过这能源危机。此外，现如今的燃油型发动机还由于其工作物质不能作内循环，燃烧完的气体不能回收再利用，而是作为废气全部排出，因此，不但是造成了严重的废气污染问题，而且还大大地降低了燃油发动机的热效率。另外，尽管人们早已对燃氢发动机，燃醇发动机做了有益的尝试，但终究因技术不成熟等原因，而难以投入到实际应用中去，因此，现今的人们迫切需要尽快寻找到能够替代燃油作为发动机工作物质的新原料。

本发明的目的就在于针对上述不足之处而提供一种能完全取代汽油、柴油和煤油的新的发动机工作物质，即低温液体，并且还要在现如今的活塞式发动机和涡轮式发动机上增加二套可使作功后的工作物质能够回收再利用的内循环装置。

为达到上述目的，本发明采用的是处在液态氧沸点以下的低温液体来作为活塞式发动机和涡轮式发动机或者是喷气式发动机的工作物质的，上面所说的处在液体态氧沸点以下的低温液体是指液态氧气，液态空气，液态氮气，液态氩气、液态氖气，液态氢气、液态氧气。对于处在液态氧沸点以下的低温液体来说，由于都是处在-183℃以下，因而，相对于水这种液体来说，这些处在液态氧沸点以下的低温液态的汽化热要小得多。如果让这些处在液态氧沸点以下的低温液体暴露在常温空气中，那么这些低温液体就会被立即气化，其体积就会突然膨胀，进而产生爆炸性的冲击效应。因此，根据低温液体的这种特性，我们就可以在活塞发动机上、还有涡轮发动机上以及喷气发动机上使用这些处在液态氧沸点以下的低温液体来替代汽油、柴油和煤油作为上述三种发动机的工作物质。下面以四冲程活塞式发动机为例，来说明活塞式发动机使用低温液体作工质的具体方法，首先是做吸气与压缩这两个过程，接着就是向气缸里注入低温液体，这低温液体在高压高温空气中会被立即气化，进而迅速膨胀并推动活塞作功，完成作功过程后就是排气过程，当作功后的废气被排出后也就完成了这四冲程循环。如果是在涡轮式发动机上使用低温液体，那么这低温液体将与被压缩机压缩的高压高温(相对于低温液体)空气在膨胀室中混合，混合后的低温液体就会被立即气化并迅速膨胀，由气化膨胀所产生的能量首先是变成高速流动的气流流动动能，经喷嘴喷出冲动叶轮高速旋转，然后变成叶轮转予的机械能输出外功。因此，通过让低温液体在发动机的工作室里与相应的(混合气体的质量最少为混合低温液体质量的十倍)常温或经过压缩的气体进行混合，就会使低温液体迅速气化膨胀，并推动活塞作功或推动叶轮作功(活塞式发动机的工作室是指气缸，涡轮式发动机和喷气式发动机的工作室是指膨胀室)。在此还要特别说明的一点是，由于不同低温液体的汽化热不同，因而与之混合共同工作的气体需要量也就不相同，此外，气体本身还会由于温度的不同而导致焓值发生变化，因此，在不同温度下工作的使用低温液体作工质的发动机应当选择不同的进气量，但总的来说是进气量应尽可能地多，进气温度也应尽可能地高，这样带进发动机工作室里的热量就会增多，就会使进入发动机工作室里的低温液体气化得更快，膨胀得更充分，作功能力也就更强。

本发明所提供的能使低温液体在发动机里做内循环的装置，是一种使用液态氧和气态氧作为发动机工作物质，而使用温度更低的液态氮作为冷却液态氧和冷凝经过作功后被连续降温而仍然没有被液化的氧气的冷却介质。该装置是在现如今活塞式发动机和涡轮式发动机的基础上增加了了二套可逆循环装置，其中的一套是使作功后被排出氧气的绝大部分(约占总排出氧气的十分之九以上)能通过一系列降温措施而恢复到作功前低温液体状态的可逆循环装置。而其中的另一套则是使作功后被排出氧气的少部分(约占总排出氧气的十分之一以下)将通过二次热交换而恢复到作功前常温气体状态的可逆循环装置，其具体作法是将作功后被排出的氧气通过两个排气管道分别排入到压缩机(19)和换热器(20)中，经压缩机(19)压缩后的高压高温(相对压缩前的温度)氧气将首先经过换热器(20)与没经过压缩的低压低温氧气进行热交换，然后再进入到换热器(21)中与由于冷凝氧气和冷却液氧而被蒸发的液态氮的氮气的进行热交换，最后则是通过节流阀(24)节流降温而进一步冷却后进入液氧贮存管(15)里，其中经过节流后仍然没有被液化的氧气将会在经过液氧贮存管(15)穿过液氮贮存管(16)的底部时而最终被温度更低的液氮所冷凝液化，从而完成了液态氧的循环过程，并等待着做下一次的作功循环。而作功后被排出的另一部分氧气在换热器(20)中与经过压缩的高压高温氧气换完热后将被排入到能与外界常温空气进行热交换的氧气罐7)里等待着做下一次的作功循环，因此也就完成了气态氧的循环过程。在此还要说明的一点是，作功后被排出的氧气是通过两个排气管道分别排入到压缩机(19)和换热器(20)中，但被排入到换热器(20)里的氧气要多于被排入到压缩机(19)里氧气的十倍以上，所以，向换热器(20)排气的管道横截面积也要大于向向压缩机(19)排气的管道横截面积十倍以上。

综上所述，本发明之所以能让液氧在发动机里做密闭式作功循环，主要是使作功后被排出的氧气在经过压缩机压缩后又通过了两个热交器(20)、(21)和一个节流阀(24)做了三次降温过程，最后又通过温度更低的液氮使之未被液化的氧气全部液化，从而就完成了通过冷却液化来蓄积能量的过程。而气态氯的循环首先是经过换热器(20)吸取被压缩氧气的压缩热量，然后则是被排入到能与外界空气这个热库进行热交换的氧气罐(14)中，从而也就通过两次热交换完成了蓄积热量的过程。最后还要说明以的一点是液态氧和气态氧在发动机里作内循环，只有泄漏方面的消耗，所以消耗量是很小的，这里主要消耗的是液氮，由于液氮在冷却液氧和冷凝经一系列降温后仍然没有被液化的氧气时要吸收热量，因而会使液氮逐渐蒸发，这蒸发的氮气将经换热器(21)冷却从压缩机(19)输送来的高压氧气后再经调节阀(22)被机械泵(23)抽出排放掉，当液氮贮存管(16)里的液氮将要全部消耗完时，要及时加注液氮。

按照上述技术方案实施的本发明，具有作功范围宽，内循环，不污染环境等优点，实现了应用低温液体来取代各种燃料作为发动机工作物质的设计构想。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的使用低温液体作为涡轮式发动机工质的非循环装置示意图，(1)压缩机、(2)膨胀室、(3)液氧贮存管、(4)液泵、(5)喷嘴、(6)叶轮、(7)(8)止回阀；

图2是本发明的使用低温液体作为四冲程活塞式发动机工质的内循环装置示意图，(9)活塞、(10)气缸、(11)注入泵、(12)注入阀、(13)进气阀、(14)氧气罐、(15)液氧贮存管、(16)液氮贮存管、(17)尾气回路管、(18)止回阀、(19)压缩机、(20)(21)换热器、(22)调节阀、(23)机械泵、(24)节流阀；

图3是本发明的使用低温液体作为涡轮式发动机工质的内循环装置示意图：(25)氧气罐、(26)压缩机、(27)(28)止回阀，(29)膨胀室、(30)叶轮、(31)(32)尾气回路管、(33)压缩机、(34)(35)换热器、(36)调节阀、(37)机械泵、(38)节流阀、(39)液氧贮存管、(40)液氮贮存管、(41)液氧注入口、(42)液氮注入口、(43)氧气注入口、(44)止回阀；

图1所描述的方法是将液态氧贮存于液氧贮存罐(3)内，该液氧贮存罐(3)为杜瓦型容器，先由压缩机(1)将外界空气压入膨胀室(2)内，然后用液泵(4)向膨胀室(2)内注入一定量的液态氧，当液态氧与高压高温(相对于低温液体)空气混合后，(液态氧与高压高温空气的质量混合比为1∶10以上)液态氧就会被立即气化并迅速膨胀，所产生的高速气流流动能量就会经喷嘴(5)喷出冲动叶轮旋转作功，作功后的尾气自然排放。

图2所描述的方法是首先将氧气罐(14)中的氧气经进气阀(13)吸到气缸(10)内，作进气与压缩这两个过程，当氧气完成压缩后，就开始向气缸(10)里注入液氧，液氧是从液氧贮存管(15)经液泵(11)由注入阀(12)注入气缸(10)里的。当液氧注入气缸(10)以后就会立即被高压高温(相对于液氧)的氧气所气化，并迅速膨胀推动活塞作功，作功后的氧气将被分作两个部分，其中一部分氧气(约占总排气量的十分之一以下)将被吸入到压缩机(19)中进行压缩，然后被送入到换热器(20)中与另一部分氧气(约占总排气量的十分之九以上)进行热交换，紧接着被压缩的氧气再被送入到换热器(21)中与由于冷却液氧和冷凝经一系列降温过程仍然未被液化的氧气而蒸发的液态氮的氮气进行热交换，最后是通过节流阀(24)节流而进一步冷却后进入液氧贮存管(15)里，这时经节流降温后仍然没有被液化的氧气将在经流液氧贮存管(15)与液氮贮存管(16)的交汇部分时被冷凝液化，从而完成了液氧的作功循环，所有被液化的氧气将等待着做下一次的作功循环。而在换热器(20)中与被压缩的氧气换完热的另一部分氧气将被送入到能够与外界空气进行热交换的氧气罐(14)中，从而也完成了氧气的作功循环，并与罐里所有的氧气一样也等待着做下一次的作功循环，这样周而复始，使用液氧与氧气作工质的发动机就可连续作功，持续运转，直到液氮快要消耗完时再及时地加注补充液氮。

图3所描述的方法是首先将氧气罐(25)的里的氧气经压缩机(26)压缩后，经止回阀(27)进入膨胀室(29)内与从液氧贮存管(39)经止回阀(28)流到膨胀室(29)内的液氧混合，混合后的液氧会被立即气化并迅速膨胀，所产生的高速气流流动能量就会冲动叶轮旋转作功，作功后的氧气将被分作两个部分，其中一部分氧气(约占总排气量的十分之一以下)将被吸入到压缩机(33)内进行压缩，然后被送到换热器(34)中与另一部分氧气(约占总排气量的十分之九以上)进行热交换，紧接着被压缩的氧气再被送到换热器(35) 中与由于冷却液氧和冷凝经一系列降温过程仍然未被液化的氧气而被蒸发的液态氮的氮气进行热交换，最后是通过节流阀(38)节流而进一步冷却后进入液氧贮存管(39)里，这时经节流降温后仍然没有被液化的氧气将在经过液氧贮存管(39)与液氮贮存管(40)的交汇部分时被冷凝液化，从而完成了液氧的作功循环，所有被液化的氧气将等待着做下一次的作功循环，而在换热器(34) 中与被压缩的氧气换完热的另一部分氧气将被送入到能够与外界空气进行热交换的氧气罐(25)中，从而也完成了氧气的作功循环，并与罐里所有的氧气一样也等待着做下一次的作功循环，这样周而复始，使用液氧与氧气作工质的发动机就可连续作功，持续运转，直到液氮快要消耗完时，再及时地加注补充液氮。

Claims (5)

1、一种用低温液体作为发动机工作物质的方法，其发动机可以是活塞式发动机、也可以是涡轮式发动机、还可以是喷气式发动机，其特征在于：是将压缩机(1)、膨胀室(2)液氧贮存罐(3)、液泵(4)、喷嘴(5)、叶轮(6)、止回阀(7)(8)组成一个非循环系统，由压缩机(1)向膨胀室(2)内喷入高压空气，由液泵(4)把液氧贮存罐(3)内的低温液体注入膨胀室(2)内，由气化膨胀所产生的高速流动气流经喷嘴(5)冲动叶轮(6)旋转作功。

2、根据权利要求1所说的用低温液体作为发动机工作物质的方法，其特征在于：作为上述发动机工作物质的低温液体是指处于液态氧沸点以下的低温液体，包括液态氧气，液态空气，液态氮气、液态氩气、液态氖气、液态氢气、液态氦气。

3、一种能够使工作物质作内循环的装置，所使用的工作物质是液态氧和气态氧，而作为冷却液态氧的冷却物质则是温度更低的液态氮，其特征在于：是将活塞(9)、气缸(10)、注入泵(11)，注入阀(12)、进气阀(13)、氧气罐(14)、液氧贮存管(15)、液氮贮存管(16)、尾气回收管(17)、止回阀(18)、压缩机(19)、换热器(20)(21)、调节阀(22)、机械泵(23)、节流阀(24)组成一个内循环系统，该系统是通过两个排气管道把作功后排出的氧气分别排入到压缩机(19)和换热器(20)中，经压缩机(19)压缩后的高压高温氧气将首先经过换热器(20)与没经过压缩的低压低温氧气进行热交换，然后再进入到换热器(21)中与由于冷凝氧气和冷却液氧而被蒸发的液态氮的氮气进行热交换，最后则是通过节流阀(24)节流而进一步冷却后进入液氧贮存管(15)里，其中经过节流后仍然没有被液化的氧气将会在经过液氧贮存管(15)与液氮贮存管(15)的相交部分时而最终被温度更低的液氮所冷凝液化，从而完成了液态氧的循环过程，并等待着做下一次的作功循环，而作功后被排出的另一部分氧气在换热器(20)中与经过压缩的高压高温氧气换完热后将被排入到能与外界常温空气进行热交换的氧气罐(14)里，等待着做下一次的作功循环，因此，也就完成了气态氧的的循环过程。

4、根据权利要求3所说的能够使工作物质作内循环的装置，其特征在于：作为工作物质的液氧与作为冷却阶质的液氮都是分别贮存在管形容器内，而且液氧贮存管(15)的一部分是要从液氮贮存管(16)的底部管中穿过去，以使未液化的氧气全部被冷凝液化。

5、根据权利要求3所说的能够使工作物质作内循环的装置，其特征在于：作为液氧工质冷却剂的液氮其由于吸热而被蒸发的氮气要先经由换热器(21)来冷却需要液化的氧气，然后经过调节阀(22)和机械泵(23)抽出排放掉。